逐层制造零件的方法以及可逐层制造的零件与流程

1.本发明属于制造领域，尤其是利用增材制造技术制造孔隙率低或无孔隙的零件的领域。
2.更具体地，本发明在制造用于结构性应用(其中常规压紧不可行)的打印零件时具有特殊的应用。


背景技术：

3.在过去，具有结构性应用的飞行器零件一直是由铝合金制成的。过去几十年，随着复合材料制造技术的发展，这种结构性零件已经用不同的技术来制造，例如碳纤维增强塑料(cfrp)组成零件的共粘接或共固化。
4.然而，所有这些制造技术都要求部件经历进行操作的不同阶段，以便分开制造不同的组成零件，这些零件随后将被组装在一起。这是耗时的过程，并且预先确定飞行器的生产率。结果，在一系列不同制造步骤之后获得了最终的部件，而这增加了制造成本和时间。
5.此缺点连同与这些常规制造技术相关的高重复/非重复成本，促进了航空领域增材制造(am)技术的出现。
6.通常，这些am技术使用带有3d建模软件(计算机辅助设计或cad)的计算机、增材制造工具(例如机器设备)和分层材料长丝。cad草图是最终3d物体构建的3d电子模型。am工具能够从cad文件中读入数据(截面几何形状和表面图案两者)，并通过至少一个头部以逐层方式铺设或沉积液体、粉末、片材等的相继的长丝(然后形成各层)，以制造3d物体。
7.因此，在实现快速成型的同时，降低买到飞比率(即生产零件所需的材料的质量与最终航空结构中的材料的质量之间的比)的可能性为逐层打印聚合物零件设定了有希望的路线图。
8.然而，众所周知的是，打印复合零件的机械性能仍然远不如铝零件或通过常规技术制造的复合零件。这一方面是因为常规打印零件存在的例如空隙、孔隙的固有缺陷，而另一方面是因为来自同一层或不同层的连续长丝之间的粘合性差。
9.孔隙或过程中引入的空隙的形成主要是由于堆叠形成层的大致圆形截面的长丝而导致的，并且典型地这些空隙沿着打印方向延伸。另一个典型的局部缺陷是相邻的长丝之间没有聚合物链相互融合，这使得层间剪切强度(
‘
ilss’)非常低，并且在承受某些应力时会导致打印零件较弱。
10.因此，当测试或投入使用这些常规打印零件时，这些空隙和打印缺陷可能会成为应力集中器，从而导致零件过早失效。
11.当前解决方案大多提供了基于辊的原位压紧机构，该辊通常将压力施加到抵靠打印床的沉积层上，以封闭空隙并且加强粘接。最新的解决方案依靠真空床来协助打印过程，虽然可以获得固结的件，但是尚无法实现严密尺寸。
12.然而，因为复杂的几何形状使得辊可以广泛且均匀地滚动变得困难，或因为一些打印工具与这些压紧设备不兼容，因而不可能总是从这些可用的压紧解决方案中受益。
13.因此，工业中需要容易且有效地制造结构性打印零件，这种制造可以确保赋予机械性能以便满足结构性需求，并且无论是否使用压紧系统并且对于任何预期的几何形状都可以广泛地应用。


技术实现要素：

14.本发明通过如下所述的使用增材制造技术逐层制造零件的方法，提供了上述问题的解决方案。在下文中，还限定了本发明的优选实施例。
15.在第一发明方面，本发明提供了一种使用增材制造技术逐层制造零件的方法，其中，所述方法包括选择性地沉积至少第一类型长丝和第二类型长丝。
16.在此整个文件中，“增材制造技术”(am)将被理解为那些通过逐层添加材料来构建3d物体的技术，其中材料(在增强材料的情况下是可熔化材料或基质材料)在施加热量时变成液体，并且在冷却时固化(或硬化)成固体。
17.在打印之前，将3d零件的数字cad草图分片为多个水平的区段或层。打印机控制器然后使用所产生的这些分片一次一层(即逐层)地将每个层粘合或粘接到前面的一个层来按顺序地制造该零件。
18.取决于所使用的材料和机器技术的形式，增材制造技术中包含许多技术。其中，可能要指出的是选择性激光烧结(sls)、立体光刻(sla)、多射流建模(mjm)或熔丝制造(fff)。
19.熔丝制造(fff)是以过程为导向的制造，其包括使用通过至少一个分度喷嘴注射到构建片材上的长丝形式的材料。(多个)喷嘴跟踪每个特定层的表面图案，在沉积下一层之前材料硬化。该过程重复进行，直到该件完成、即被打印。
20.在本发明的方法的优选实施例中，零件是使用熔丝制造(fff)来打印的。在fff中，每个沉积层由一组定向长丝形成。众所周知，fff是3d打印(3dp)的特定示例。
21.根据本发明，第二类型长丝至少在截面尺寸上与第一类型长丝不同。
22.对于那些允许设定层高度的打印机工具，第一类型长丝或第二类型长丝的这个截面尺寸被理解为确定由长丝形成的每个层的高度的高度设定。设定较厚的层高度会使所打印的零件将具有粗糙的(即较不精细的)细节，从而使层更加可见。在另一方面，设定较薄的层高度允许零件具有更高水平的细节，但会延缓生产时间。
23.除此之外，如果长丝(第一类型或第二类型)具有不恒定的截面形状，则截面尺寸将被理解为在这种长丝最粗点处的测量的截面面积或值。
24.因此，所述方法包括执行至少一次以下步骤：
25.a.通过沉积第一类型长丝来形成层，第一类型长丝中的至少一部分第一类型长丝彼此并排沉积，因此产生至少一个通道，以及
26.b.沿所述通道沉积第二类型长丝中的至少一部分第二类型长丝，
27.其中，第二类型长丝至少在截面尺寸上与第一类型长丝不同。
28.也就是说，打印工具的分片程序提供了3d cad零件不均匀的分片，这是因为通过至少对于零件的一部分对由第一类型长丝或第二类型长丝形成的层进行交替，层现在具有不同的高度。换言之，交替步骤a)和b)。
29.因此，“层”被理解为在同一沉积步骤期间沉积的一组长丝。根据本发明，层可以包括彼此并排沉积的长丝和/或间隔开的长丝。第一类型长丝的层具有至少一些彼此并排沉
积的长丝，而第二类型长丝的层可以由间隔开的长丝形成。例如，在2.5d制造中，同一个层包含的每根长丝距模具的高度相同。
30.一对第一类型长丝彼此并排沉积某一长度，在它们中间产生了沿着它们延伸这个长度的凹槽、凹口或通道。
31.根据本发明，在这种通道上沉积具有不同截面尺寸的第二类型长丝，因此该第二类型长丝同时接触先前沉积的两根第一类型长丝。
32.因此，与现有技术的制造过程中后续的第一类型长丝的层沉积引入间隙空隙不同，本发明用第二类型长丝填充或占据这种空隙。
33.常规制造过程典型地包括：将第一类型长丝沉积到由两根同种类型的长丝彼此并排沉积产生的通道上，或类似地，将一对第一类型长丝沉积到两根彼此并排沉积的同种类型的长丝上。
34.由于零件是由聚合材料制成的，熔化的长丝从喷嘴中喷出，因此在沉积时倾向于变平。然后，熔化的第二类型长丝可以更好地适应由这对硬化的第一类型长丝产生的通道形状，以便进一步减少孔隙。换言之，通过本发明制造的零件更接近同源体零件。
35.避免或减少空隙使得长丝沿更多区域接触，这与打印过程典型地在高温下执行的事实相结合，促进了长丝粘接和聚合物融合，因此改善了层间的相互粘合。
36.结果，不仅大大提高了打印零件的力学性能，例如ilss、抗拉强度、抗压强度等，而且还改善了尺寸公差。
37.平衡第一类型长丝或第二类型长丝的沉积不会危害制造交付时间，因为整个零件不需要精细分片。因此，与精细打印相比，本发明缩短了时间。
38.简而言之，与传统打印零件相比，通过根据本发明的方法制造的固结的打印零件具有高分辨率表面、更少的孔隙或空隙，以及没有接口。
39.例如，通常制成各件然后组装在一起的航空零件(因此具有接口)可以根据本方发明被一次性一体地制造出且满足任何结构性规格。这使得零件没有接口(即是一体的或自密封的)。由于热塑性打印材料存在吸湿倾向，因此产生的严密性有利地减少了吸水问题和粘接脱落。此外，由于打印零件具有更好的结构性能，因此可以增强操作。
40.航空领域强调了不期望有的吸水影响，在航空领域，结构性零件在使用中会暴露于潮湿的环境。
41.因此，在优选实施例中，打印零件是航空零件。
42.在优选实施例中，所述第一类型长丝包括比所述第二类型长丝更大的截面尺寸。
43.在特定实施例中，至少一根第一类型长丝和/或至少一根第二类型长丝具有圆形、三角形或椭圆形的截面形状。
44.在特定实施例中，在第一温度下沉积所述第一类型长丝，而在第二温度下沉积所述第二类型长丝。
45.头部典型地包括挤压机，该挤压机使用扭矩和夹紧系统来进给和缩回所进给的长丝，以便驱动所需量的材料沉积。头部还可以包括加热块，用于将可熔化材料加热到任何精确的温度。一旦材料被加热，它的直径就会缩小而被迫使喷出喷嘴，从而使材料更准确地沉积。
46.因此，根据此实施例，可以使用两个头部，每个长丝类型使用一个头部，以便在不
同的温度下喷出长丝。替代性地，在单个头部的情况下，加热块选择性地将第一类型长丝或第二类型长丝加热到它们分别的精确的温度。
47.无论是哪种方式，优选地，至少第二温度(第二类型长丝将在该温度沉积)高于第二类型长丝的玻璃化转化温度，以便在铺设时更好地适应通道形状。
48.此外，如已经提到的，当将单根或一对第一类型长丝沉积到由两根同种类型长丝彼此并排沉积而产生的通道上时，会产生过程中引入的空隙，分别是大致三角形空隙或大致风筝形空隙。
49.因此，在特定实施例中，沿第一类型长丝(并且在其上)沉积第二类型长丝中的至少一部分第二类型长丝，以便填充将由彼此并排沉积的后续一对第一类型长丝产生的通道。
50.因此，在特定实施例中，选择第二类型长丝的截面尺寸和/或长度来填充这种空隙，也就是说，在空隙中不应该有填充材料短缺或过量的情况。
51.就此而言，由于在相邻长丝/层之间形成粘接(基于扩散的熔合)时对温度的强烈依赖性，典型的打印工具预热它们的打印室或周围环境，以便达到并保持由所选材料决定的操作打印温度。
52.因此，根据本发明，在第一类型长丝和/或第二类型长丝的材料的适合操作打印温度下执行该方法。
53.优选地，此操作温度是打印零件材料的玻璃化转化温度，以便使沉积的长丝软化并稍微能够成形。如果第一类型长丝和第二类型长丝的材料不同，则该操作温度将是两种材料的玻璃化转化温度中最低的玻璃化转化温度。
54.例如，玻璃化转化温度的典型值对于peek(聚醚醚酮)为143℃，对于pa66(例如，尼龙)为50℃，对于abs(丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯共聚物)为105℃。尽管玻璃化转化温度的精确值取决于测量技术，但是所有已知的结果都提供了与应用本发明足够相似的值。
55.此外，由于打印速度设定了熔化的长丝在之前已经硬化了的长丝上的残留时间，所以打印速度可以影响各长丝/层之间的对流热交换。然而，出于本发明设想的目的，已经发现，在使用常规值的情况下，打印速度对最终性能的影响最小。
56.然后，打印零件从操作温度进行降温(通常以℃/分钟限定)导致其固化，并且因此，随着材料的收缩和内部应力的开始，对其最终的机械性能产生影响。如果冷却速度足够慢，打印零件上的残余热应力大多可以避免。
57.相应地，在特定实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：以预定的冷却速度对所述零件进行降温。优选地，对于这种零件选择此冷却速度以实现一定的结晶度。最优选地，此结晶度为至少32％。
58.在特定实施例中，第一类型长丝和/或第二类型长丝是由嵌入可熔化材料内的纤维材料增强物制成的。
59.通过沉积具有可熔化材料的纤维材料增强物，实现了轻质设计，因为与仅使用可熔化材料相比，满足结构性要求所需的材料更少。
60.根据本发明，纤维材料增强物可以呈例如原纤维(非常短和/或不规则的纤维)、纳米纤维、碳填料、短纤维(长度<1mm)或连续纤维(在制造时沿着整个长丝并因此沿着零件的整个长度/宽度连续延伸)的形式。优选地，纤维材料增强物呈连续纤维和/或短纤维的形
式，其中连续纤维是优选的。
61.另外，纤维材料增强物可以是玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维或用作增强物的任何其他常规材料。其中，碳纤维是优选的。
62.根据本发明，可熔化材料可以是热塑性材料，例如pa(聚酰胺)、pps(聚苯硫醚)、pa66、abs(丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯)、peek(聚醚醚酮)、paek(聚芳基醚酮)或pekk(聚醚酮酮)。在优选实施例中，可熔化材料呈长丝形式，以更好地储存和处理。
63.在优选实施例中，可熔化材料是下列任何一种热塑性材料：pekk、pps、paek或peek。更优选地，可熔化材料是paek或peek。最优选地，可熔化材料是peek或pps。
64.在优选实施例中，所述第一类型长丝的纤维体积含量高于50％，而所述第二类型长丝的纤维体积含量低于50％。
65.有利地，至少50％的纤维体积含量增强了最终零件的机械性能，因为这提高了零件的硬度/重量比。第二长丝具有更小的纤维体积含量的事实使得更容易填充空隙而不会大幅度降低最终零件的机械性能。
66.在特定实施例中，所述第二类型长丝中的至少一根第二类型长丝是不连续的、呈丸或球的形式。
67.优选地，呈丸或球的形式的此第二类型长丝均匀地沉积在通道上。
68.如果第二类型长丝是嵌入呈丸或球的形式的可熔化材料内的纤维材料增强物，则该纤维材料增强物优选地呈原纤维、纳米材料、碳填料或短纤维的形式。
69.此外，一些层可以由仅具有可熔化材料的第二类型长丝形成，其他层可以由具有嵌入可熔化材料内的纤维材料增强物的第二类型长丝或具有两者结合的第二类型长丝形成。
70.同样地，一些层可以由连续第二类型长丝形成，而其他层可以由呈丸或球的形式的第二类型长丝或两种形式结合的第二类型长丝形成。
71.所制造的零件可以完全通过对由第一类型长丝和第二类型长丝制成的层进行交替而形成。也就是说，重复步骤a)和b)来制造整个零件。
72.在另一方面，可以通过对这两种层进行交替(例如在部分制造的零件上仅执行步骤a)和b)一定次数)来仅打印零件的一部分。因此，这些交替的层被沉积来更好地满足未来在制造和使用期间的负荷需求。因此，实现了优化的结构性布置，同时节省了打印时间。
73.例如，任何设计有超载荷区段或因安全因素而具有典型地特大的关键区段的结构性零件可以通过在此易受影响的部分内对两种不同长丝类型的这些层进行交替而受益于本发明。
74.为了进一步提高严密性或减少吸水问题和粘接脱落，在特定实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：
75.c.沿由具有第一截面尺寸的长丝形成的通道沉积第二类型长丝中的至少一部分第二类型长丝，从而形成零件的外壁的一部分。
76.此外，在此实施例中，零件的外壁可以完全由第二类型长丝的(多个)层制成，以便进一步改善尺寸公差。
77.要注意的是，在此实施例中，第二类型长丝“层”还包括一束未成层的第二类型长丝。
78.有利地，这允许第一类型长丝的层根据预期的载荷定向，同时设置有另外的第二类型长丝的(多个)层来补偿零件的理论尺寸。换言之，强度需求不受尺寸公差的限制。
79.在实施例中，还可以选择性地将第三类型长丝或其他类型长丝与第一类型长丝和第二类型长丝一起沉积。相应地，这使得该方法在应用方面更加通用。
80.这种第三类型长丝或任何其他类型长丝具有至少不同于第一类型长丝和第二类型长丝的截面尺寸，并且可以受益于相对于第二类型长丝限定的任何特征，例如不连续性或截面区段。
81.在第二发明方面，本发明提供了根据第一发明方面的任一实施例的使用增材制造技术的可逐层制造的零件。在优选实施例中，零件是航空零件。
82.本说明书(包括权利要求、描述和附图)中描述的所有特征和/或所描述的方法的所有步骤可以以任何组合进行组合，除了这些互斥的特征和/或步骤的组合。
附图说明
83.参考附图，鉴于本发明的详细描述，将清楚地理解本发明的这些和其他特性和优点，这些特征和优点从本发明的仅作为示例给出并且并不受其所限的优选实施例中变得显而易见。
84.图1此图示出了由第一类型长丝彼此并排沉积而制成的层，该层具有过程中引入的三角形空隙。
85.图2此图示出了由第一类型长丝彼此并排沉积而制成的层，该层具有过程中引入的风筝形空隙。
86.图3a、图3b图3a示出了由第一类型长丝和第二类型长丝制成的交替沉积层的截面视图，图3b示出了与图3a相同的层的截面视图，但是其中熔化的第二类型长丝填充空隙。
87.图4此图示出了由第二类型长丝制成的层，布置该第二类型长丝来补偿外部尺寸。
具体实施方式
88.本领域技术人员应该认识到，本文描述的各方面可以体现为制造零件的方法，或零件本身。
89.本发明限定了一种使用增材制造技术逐层制造零件的方法，其中，该方法包括至少执行一次以下步骤：
90.a.通过沉积第一类型长丝来形成层，第一类型长丝(1)中的至少一部分第一类型长丝彼此并排沉积，因此产生至少一个通道(3)，以及
91.b.沿所述通道(3)沉积第二类型长丝(2)中的至少一部分第二类型长丝，
92.其中，第二类型长丝(2)至少在截面尺寸上与第一类型长丝(1)不同。
93.根据本发明的方法使用增材制造工具，该增材制造工具包括打印腔室，该打印腔室又容纳有构建片材和至少一个头部，该至少一个头部被配置成在所述构建片材上移动、并且沉积第一类型长丝(1)或第二类型长丝(2)。
94.如果仅有一个头部，则该头部可以配备有可在打印过程期间互换的不同的喷嘴，或是配备有具有可变几何形状和/或尺寸的单个喷嘴。如所述的，(多个)头部还可以包括加热块，用于将可熔化长丝(1，2)加热到任何精确的温度。
95.此工具可以进一步包括用于储存长丝(1，2)的(多个)卷轴。
96.在实施例中，头部被配置成在构建片材上沿三个平移轴线(x，y，z)移动和/或(围绕x，y，z)旋转，以打印更复杂的几何形状。可选地，(多个)头部可以被限制为仅在水平方向(x，y)上在构建片材上移动，而在竖直z方向上的移动由构建片材执行，从而实现所谓的2.5d制造。这些移动典型地由致动器和/或伺服器执行，对于每个方向和/或旋转存在一个致动器和/或伺服器。
97.图1描绘了由彼此并排沉积的第一类型长丝(1)制成的层，这些层具有产生的三角形空隙(3.1)。
98.此过程中引入的三角形空隙(3.1)在单个第一类型长丝(1)沉积在通道(3)上时出现，该通道由两根同种类型的长丝(1)彼此并排沉积而产生。
99.要注意的是，通道(3)就本发明而言是在两根同种类型的长丝(1)彼此并排时产生的，而过程中引入的空隙(3.1)需要将另外的(多根)长丝(1)布置到这两根长丝上而产生，即需要封闭的周界。
100.图2描绘了由彼此并排沉积的第一类型长丝(1)制成的层，这些层具有产生的风筝形空隙(3.2)。
101.风筝形的空隙(3.2)在一对彼此并排布置的第一类型长丝(1)沉积在通道(3)上时出现，该通道由也彼此并排沉积的另外两根相同类型的长丝(1)产生。
102.图1和图2描绘了硬化期间发生的与重力和温度相关的机制引起第一类型长丝(1)变平。
103.图3a描绘了假设情形的截面视图，其中，由第一类型长丝(1)制成的层与由第二类型长丝(2)制成的、但尚未熔化的层交替。
104.在这个示例中，可以观察到第一类型长丝(1)和第二类型长丝(2)两者都具有圆形的截面形状。然而，可以选择或结合其他截面形状来最大化填充。
105.如图3a可见的，第二类型长丝(2)已经沿通道(3)沉积，该通道由在该第二类型长丝下方彼此并排沉积的一对第一类型长丝(1)形成。另外，示出了两根第二类型长丝，这两根第二类型长丝已经分别沿着两根第一类型长丝沉积在其上，以便填充将由在该第二类型长丝上彼此并排沉积的后续一对第一类型长丝产生的通道。
106.进一步，可以看出第一类型长丝(1)比第二类型长丝(2)的截面尺寸更大。实际上，选择第二类型长丝的特定截面尺寸来填充沉积期间形成的此类空隙(3.1，3.2)，从而因此将长丝(1，2)在熔化和硬化期间的热膨胀和收缩考虑在内。
107.可以在图3b中看出第二类型长丝(2)在沉积步骤期间填充前面的空隙的这种情形。
108.如上所述，虽然未在图中示出，还可以选择性地将第三或其他类型长丝与第一类型长丝和第二类型长丝一起沉积。
109.图4描绘了填充有沿第一方向定向的第二类型长丝(2)的第一类型长丝(1)的层。另外，可以看到一组由第二类型长丝(2)制成的层，该第二类型长丝沿不同于第一方向的第二方向定向，以便补偿外部尺寸。进一步，因为这些沿第二方向定向的第二类型长丝(2)可以用作支撑材料，因此有利于打印过程。
110.由于第一类型长丝(1)层(通常是增强的)可以因此根据预期的载荷定向，所以提
供这些另外的第二类型长丝(2)的(多个)层来补偿零件的理论尺寸。结果，强度需求可以不受尺寸公差的限制。
111.此外，该方法可以包括以下步骤：沿由第一类型长丝(1)形成的通道(3)沉积第二类型长丝(2)中的至少一部分第二类型长丝，从而形成零件的外壁的一部分。
112.此实施例例如可以适用于生产局部粗纱或填料，并且因此产生零件的最终形状所需的任何区域，从而允许生产更复杂的形状。
113.在航空零件、尤其是例如桁条的
‘
t形型材’复合零件中，粗纱是被适配成填充两脚部(即
‘
t形型材’复合零件的两个半部的分离点)之间的空间的复合填料。因此，
‘
粗纱’将被理解为一束第二类型长丝，这一束第二类型长丝可以是单向的、未纺成的或以其他方式成形为图案以提供结构连续性并且避免空隙。
114.此外，如果零件的外壁完全是由第二类型长丝(2)的(多个)层制成的，则不仅改善了尺寸公差，而且产生的严密性防止吸水和粘接脱落。